納板河流域不同植被類型下土壤肥力綜合評(píng)價(jià)

宋艷紅,史正濤?,王連曉,馮澤波

(1云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院,昆明650500;2云南省水文水資源局,昆明650106)

土壤是自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。土壤肥力是土壤的基本屬性和本質(zhì)特征,為植物生長提供必需的物質(zhì)養(yǎng)分與機(jī)械支撐,土壤肥力的高低直接影響著植物的生長[1-4]。在耕作過程中,不同的土地利用方式和管理措施均會(huì)影響土壤肥力的變化。因此,科學(xué)、合理、實(shí)用地評(píng)價(jià)土壤肥力,不僅對(duì)充分發(fā)揮土壤潛力具有十分重要的意義,并且還可以為土地利用規(guī)劃和管理提供重要理論依據(jù)。目前,國內(nèi)外關(guān)于土壤肥力評(píng)價(jià)的方法主要有：主成分分析法[5]、層次分析法[6]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[7]、聚類分析法[8]和綜合指數(shù)法[9]等;其中,主成分分析法、聚類分析法和綜合指數(shù)法應(yīng)用比較廣泛。在我國,唐健等[10]運(yùn)用主成分分析法對(duì)廣西杉木主產(chǎn)區(qū)土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)得出,廣西部分杉木林地的土壤肥力較低,且1代杉木幼林的土壤肥力低于2代幼林;紀(jì)浩等[11]則運(yùn)用層次分析法對(duì)大興安嶺低質(zhì)林改造后的土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);劉茂等[12]應(yīng)用GIS技術(shù)和模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)庫爾勒市100個(gè)香梨園的土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià);楊曉娟等[13]采用主成分分析與聚類分析相結(jié)合的方法評(píng)價(jià)東北過伐林區(qū)不同林分類型的土壤肥力;王鈺瑩等[14]運(yùn)用肥力綜合指數(shù)法對(duì)陜南山區(qū)厚樸群落土壤肥力進(jìn)行評(píng)價(jià)。在國外,Arias等[15]運(yùn)用主成分分析法對(duì)土壤屬性進(jìn)行歸一化處理,以確保結(jié)果的完整性;Potashev等[16]采用聚類分析法對(duì)植物進(jìn)行分組,研究它們?cè)诎l(fā)芽階段對(duì)碳?xì)浠衔锿寥牢廴镜哪褪苄?Liang等[17]則運(yùn)用層次分析法對(duì)土壤硒資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。針對(duì)云南省西雙版納地區(qū)的土壤類型,科學(xué)工作者從不同的角度做了研究,主要集中在土壤養(yǎng)分、土壤水分和土壤微生物等方面。徐武美等[18]研究表明,有機(jī)質(zhì)、有效氮的變異系數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)呈正相關(guān),表明土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性可能在一定程度上緩解種間競(jìng)爭(zhēng)、促進(jìn)樹種共存。胡曉聰?shù)萚19]研究表明,不同海拔熱帶山地雨林土壤水文調(diào)節(jié)功能具有很大差異,土壤含水量、土壤最大持水量和最大持水率以及有效持水量隨海拔的增加而增加,但局部有所波動(dòng)。徐佳晶等[20]在不同森林類型土壤微生物生物量的變化研究中得出,雞血藤次生林、曼安次生林和溝谷次生林土壤微生物生物量高于熱帶季風(fēng)常綠闊葉林和熱帶季節(jié)雨林,表明次生林相較于熱帶季風(fēng)常綠闊葉林和熱帶季節(jié)雨林具有較高的土壤微生物活性。就土壤肥力而言,唐炎林等[21]研究表明,次生林＞人工橡膠林＞季節(jié)雨林。李濤等[22]研究表明,未開割橡膠林土壤肥力優(yōu)于已開割橡膠林,且表層土肥力顯著高于深層土。謝瑾等[23]則采用綜合指數(shù)法研究得出,不同土地利用類型土壤肥力排序?yàn)椋鹤匀涣郑净旌狭郑静鑸@＞玉米地＞橡膠林＞水稻田。土壤肥力是維持森林及農(nóng)作物可持續(xù)發(fā)展的重要因子之一,因此,本研究在前人研究的基礎(chǔ)上采用主成分分析法對(duì)納板河流域不同植被類型下土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為合理施肥及土地利用規(guī)劃和管理提供重要理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

納板河流域自然保護(hù)區(qū)(22°04′N—22°17′N,100°32′E—100°44′E)位于云南省西雙版納傣族自治州中北部,景洪市與勐海縣的接壤地帶,總面積266.6 km2。保護(hù)區(qū)地勢(shì)呈西北部高東南部低,海拔相對(duì)高差達(dá)1 765 m,垂直高差較大,山地氣候垂直帶明顯。納板河流域總體氣候類型屬北熱帶濕潤氣候,年日照時(shí)數(shù)1 800—2 300 h,年均氣溫18—22℃,年降雨量1 100—1 600 mm,雨量充沛且干濕季分明。由于保護(hù)區(qū)地形復(fù)雜,土壤類型有黃壤、紅壤、赤紅壤、磚紅壤。其中,在海拔800 m以下為磚紅壤,海拔800—1 500 m為赤紅壤,另外石灰?guī)r土和粗骨性紫色土等在赤紅壤和磚紅壤地帶交織分布。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物種質(zhì)資源豐富,植被類型主要有熱帶雨林、熱帶季雨林、落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林、暖性針葉林和次生植被及河漫灘灌叢等植被類型。

1.2 樣品采集與測(cè)定

2016年5月,通過實(shí)地調(diào)查并結(jié)合林相圖,在納板河流域國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)按坡度和坡向在茶樹林、甘蔗地、火龍果地、香蕉地和不同年限橡膠林地布設(shè)采樣點(diǎn)樣地,并在每個(gè)林地設(shè)置20 m×20 m的樣地。每塊樣地按對(duì)角線選取3個(gè)具有代表性的采樣點(diǎn),挖40 cm的土壤剖面,用100 cm3的環(huán)刀按照自然發(fā)生層次取原狀土樣,分為表層(0—10 cm)、中層(10—20 cm)、底層(20—40 cm)3個(gè)層次,共105個(gè)土壤樣品。取好的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,置于通風(fēng)清潔無灰塵污染的室內(nèi)進(jìn)行自然風(fēng)干,樣品風(fēng)干后揀去動(dòng)植物殘?bào)w(如根、莖、葉等)和石塊,將風(fēng)干后的土壤進(jìn)行研磨并分別過2 mm、1 mm和0.25 mm目篩。

采用中國分析標(biāo)準(zhǔn)方法[24]測(cè)定土壤自然含水率、土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和速效鉀等指標(biāo)。其中,土壤自然含水率的測(cè)定采用烘干法;土壤容重的測(cè)定采用環(huán)刀法;pH的測(cè)定采用電位法;有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重絡(luò)酸鉀容量法;全氮的測(cè)定采用半微量開氏法;全磷測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-鉬銻抗比色法;全鉀測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法;速效鉀測(cè)定采用1 mol∕L乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,利用SPSS 22.0對(duì)各因子數(shù)據(jù)分布形態(tài)用單一樣本K-S進(jìn)行檢驗(yàn);并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、描述性統(tǒng)計(jì)分析、主成分分析和聚類分析。

1.4 土壤肥力評(píng)價(jià)方法

根據(jù)加乘法原理計(jì)算土壤肥力值[25],計(jì)算公式為

式中：ωi為權(quán)重值,Ni為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值。根據(jù)土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的主導(dǎo)性、敏感性、獨(dú)立性和實(shí)用性原則[26]以及結(jié)合相關(guān)研究和納板河流域的土壤特性,本研究選取土壤自然含水率、容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀和速效鉀作為土壤肥力評(píng)價(jià)的指標(biāo)。運(yùn)用SPSS 22.0軟件對(duì)參評(píng)因子進(jìn)行相應(yīng)的因子載荷矩陣分析,得出各評(píng)價(jià)因子的公因子方差,方差值代表了各因子對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn),因此可根據(jù)各評(píng)價(jià)因子的公因子方差計(jì)算得出它們各自的權(quán)重(表1)。

表1 各參評(píng)因子的公因子方差及權(quán)重Table 1 Common factor variance and weight of each factor

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)研究區(qū)各因子數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S檢驗(yàn)表明,各因子數(shù)據(jù)均屬于正態(tài)分布,并對(duì)各因子數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析及多重比較。

由表2可知,不同植被類型下土壤自然含水率的變化范圍為8.31%—35.79%,其中8 a橡膠林自然含水率均值為35.62%,顯著高于香蕉地、甘蔗地、20 a茶樹林、15—20 a橡膠林、5 a橡膠林和火龍果地。變異系數(shù)范圍是0.48%—29.42%,其中8 a橡膠林和15—20 a橡膠林變異系數(shù)最小,分別為0.48%和9.12%,屬于弱變異,而20 a茶樹林、甘蔗地、5 a橡膠林、火龍果地和香蕉地屬中等強(qiáng)度變異。土壤容重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.05—1.89 g∕cm3,其中尤以火龍果地土壤容重最高,均值為1.74 g∕cm3,5 a橡膠林土壤容重最低,均值為1.28 g∕cm3。除甘蔗地變異系數(shù)為18.12%,屬中等強(qiáng)度變異,20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林、火龍果地和香蕉地由于變異系數(shù)均低于10%,所以它們均屬于弱變異。土壤pH變化范圍是4.1—5.4,其中尤以5 a橡膠林土壤pH最高,8 a橡膠林土壤pH最低。而不同植被類型土壤變異系數(shù)范圍為1.13%—6.94%,且均屬于弱變異。土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.40—95.10 g∕kg,其中20 a茶樹林和甘蔗地的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他植被類型。變異系數(shù)的范圍是7.93%—38.99%,其中變異系數(shù)最小的是香蕉地,屬于弱變異,變異系數(shù)最大的是15—20 a橡膠林,屬于中等強(qiáng)度變異;20 a茶樹林、甘蔗地、5 a橡膠林、8 a橡膠林和火龍果地也都屬于中等強(qiáng)度變異。土壤全氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.13—1.32 g∕kg,甘蔗地和20 a茶樹林的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于其他植被類型。均屬于中等強(qiáng)度變異。土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.43—1.04 g∕kg,其中5 a橡膠林的全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為1.01 g∕kg,顯著高于其他植被類型土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。甘蔗地和火龍果地土壤全磷變異系數(shù)分別為20.88%和14.53%,均屬于中等強(qiáng)度變異,而20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林和香蕉地由于其變異系數(shù)均低于10%,所以它們都屬于弱變異。土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.08—8.92 g∕kg,火龍果地的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(7.96 g∕kg),而8 a橡膠林的土壤全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯較低(0.47 g∕kg)。變異系數(shù)以8 a橡膠林最高為82.50%,20 a茶樹林、15—20 a橡膠林和火龍果地的變異系數(shù)分別為26.58%、12.60%和12.06%,均屬中等強(qiáng)度變異;而甘蔗地、5 a橡膠林和香蕉地的變異系數(shù)分別為5.90%、3.34%和9.65%,均屬于弱變異。土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)在9.17—330.09 g∕kg,其中8 a橡膠林、15—20 a橡膠林和火龍果地的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著低于其他植被類型下土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)。變異系數(shù)除甘蔗地、8 a橡膠林和15—20 a橡膠林及香蕉地較高,均屬于中等強(qiáng)度變異。

表2 不同植被類型下土壤肥力因子描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of soil fertility factors under different vegetation types

2.2 土壤肥力評(píng)價(jià)分析(IFI)

通過土壤肥力評(píng)價(jià)計(jì)算公式得出甘蔗地土壤肥力值最大,香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林的土壤肥力值較低,不同種植年限的橡膠林土壤肥力值以5 a橡膠林最高,不同植被類型土壤肥力變化趨勢(shì)為：甘蔗地＞20 a茶樹林＞5 a橡膠林＞香蕉地＞火龍果地＞15—20 a橡膠林＞8 a橡膠林(表3)。

表3 不同植被類型土壤綜合肥力指數(shù)Table 3 Soil comprehensive Fertility Index under different vegetation types

2.3 不同植被類型土壤肥力等級(jí)劃分

根據(jù)聚類分析法劃分土壤肥力等級(jí),如以5.0作為分類標(biāo)準(zhǔn),可將納板河流域不同植被類型下土壤肥力劃分為兩類(圖1),其中第一類包括1號(hào)、2號(hào)和3號(hào),屬于肥力質(zhì)量較好等級(jí);第二類包括4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)和7號(hào),屬于肥力質(zhì)量較差等級(jí)。由此劃分等級(jí)可以得出：甘蔗地、20 a茶樹林和5 a橡膠林＞香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林。

圖1 不同植被類型土壤肥力聚類樹形圖Fig.1 Clustering tree of soil fertility under different vegetation types

3 討論

不同土地利用方式及人為干擾程度對(duì)土壤肥力具有重要影響[27-28]。本研究中利用主成分分析法,對(duì)原始指標(biāo)進(jìn)行降維,并提取出2個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.04%。對(duì)參評(píng)因子進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析得出,土壤各肥力因子表現(xiàn)為弱變異或中等強(qiáng)度變異,且甘蔗地土壤肥力質(zhì)量比20 a茶樹林、5 a橡膠林、8 a橡膠林、15—20 a橡膠林、火龍果地和香蕉地要高,這可能與研究區(qū)自然條件及施肥等管理措施有關(guān)。甘蔗作為納板河流域重要的經(jīng)濟(jì)作物之一,定期進(jìn)行施肥等管理措施保障土壤養(yǎng)分的供給,促進(jìn)甘蔗又好又快生長,因此甘蔗地的土壤肥力質(zhì)量較好;而20 a茶樹林屬于茶樹的成年期,生育條件好且產(chǎn)量和品質(zhì)也均處于高峰階段,再加上科學(xué)管理等措施,使20 a茶樹林的土壤肥力質(zhì)量也較好;而不同年限橡膠林的土壤肥力質(zhì)量呈現(xiàn)出5 a橡膠林IFI值高于15—20 a橡膠林IFI值,8 a橡膠林的土壤肥力質(zhì)量最差,這可能是因?yàn)? a橡膠林處于熱帶雨林砍伐后橡膠種植的初始階段,此階段微生物大量分解熱帶雨林凋落物獲得土壤養(yǎng)分,再加上植膠初期膠農(nóng)人為施加有機(jī)肥增加土壤肥力,因此5 a橡膠林的土壤肥力質(zhì)量較好;而8 a橡膠林處于橡膠樹開割的初級(jí)階段,割膠流失大量的營養(yǎng)元素,及割膠時(shí)人為踩踏致使土壤緊實(shí)度增加,容重降低,導(dǎo)致土壤孔隙度下降,土壤的保肥和保水能力也隨之下降,再加上橡膠林是單層林且樹種單一、生物多樣性較熱帶雨林低,土壤養(yǎng)分循環(huán)受到影響,土壤肥力質(zhì)量最差;15—20 a橡膠林相對(duì)于8 a橡膠林土壤肥力質(zhì)量較好,這是因?yàn)殡S著橡膠林的生長其林冠層逐漸變大,相應(yīng)的凋落物也不斷增加,通過微生物的分解活動(dòng),使15—20 a橡膠林林下土壤肥力質(zhì)量高于8 a橡膠林林下土壤肥力質(zhì)量。謝瑾等[23]對(duì)納板河流域自然保護(hù)區(qū)6種土地利用類型表層土壤肥力性狀進(jìn)行比較分析得出,6種不同土地利用類型之間的土壤肥力評(píng)價(jià)因子具有明顯的異質(zhì)性,其肥力變化趨勢(shì)是：自然林＞混合林＞茶園＞玉米地＞橡膠林＞水稻田,自然林的土壤肥力值最高,而受人為干擾影響下的水稻田肥力值最低。這是由于自然林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌r(nóng)作物用地后,在耕地管理措施下,土壤結(jié)構(gòu)分散,孔隙度降低,養(yǎng)分流失,導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低;丘秀靈等[29]對(duì)海南膠園土壤肥力評(píng)價(jià)研究得出,土壤普遍偏酸,且陽離子代換量低,土壤的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)在0.25—0.50,綜合肥力水平低。這可能由于土壤陽離子交換量低,保肥能力較差,再加上降水加劇了土壤養(yǎng)分的流失;低頻割膠技術(shù)的推廣加劇了膠園養(yǎng)分的消耗;以及農(nóng)場(chǎng)投入與產(chǎn)出不成正比,造成土壤養(yǎng)分投入和流出極端不平衡[30-31];而李濤等[14]在研究不同林齡橡膠林土壤肥力的變化中得出,未開割橡膠林的土壤肥力高于開割橡膠林的土壤肥力,且兩者的土壤肥力均處于中等偏下肥力程度;這可能是開割林的種植時(shí)間大于未開割林,且橡膠生長過程中已消耗大量的土壤養(yǎng)分,導(dǎo)致養(yǎng)分供需平衡出現(xiàn)失衡狀態(tài),開割橡膠林的土壤肥力下降;二是由于未開割橡膠林處于幼林階段,土壤養(yǎng)分僅需滿足橡膠樹的正常生長,沒有產(chǎn)膠的負(fù)擔(dān),再加上人工施肥等管理,所以未開割橡膠林的土壤肥力高于已開割橡膠林。據(jù)研究表明,就巴西橡膠樹而言,土壤容忍的pH在3.5—7.3,它的適應(yīng)范圍較大。而對(duì)于甘蔗地而言,雖然甘蔗地具有耐酸性、耐貧瘠的特點(diǎn),但土壤過酸會(huì)降低磷肥的利用率和影響甘蔗的生長發(fā)育[32]。一般說來,茶樹生長最適宜的pH為5.0—6.0,輕微的土壤酸化可以提高土壤中元素的有效性,有助于茶樹對(duì)營養(yǎng)元素的吸收;但是,嚴(yán)重的土壤酸化則會(huì)抑制茶樹根系對(duì)營養(yǎng)元素的吸收,不利于茶樹的生長[33]。據(jù)楊道富等[34]研究表明,火龍果適應(yīng)土壤pH能力較強(qiáng),既能在pH為4.5的強(qiáng)酸性土壤上生長,也能在pH為8.12的沿海鹽堿地生長。而賀柳梅等[35]對(duì)廣西武鳴縣香蕉地研究表明,香蕉種植區(qū)土壤pH在4.9—7.48。土壤pH對(duì)土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性影響很大,是影響土壤肥力的重要因素之一。

4 結(jié)論

(1)西雙版納納板河流域不同植被類型土壤肥力因子多處于弱變異和中等強(qiáng)度變異,且土壤肥力的變化趨勢(shì)為：甘蔗地＞20 a茶樹林＞5 a橡膠林＞香蕉地＞火龍果地＞15—20 a橡膠林＞8 a橡膠林,表明耕作管理會(huì)引起土壤質(zhì)量的下降。

(2)納板河流域土壤綜合肥力值處于-0.442270—0.498973,通過聚類分析將肥力等級(jí)分為兩類,其中甘蔗地、20 a茶樹林和5 a橡膠林為第一類,表示土壤肥力質(zhì)量較好;香蕉地、火龍果地、15—20 a橡膠林和8 a橡膠林為第二類,表示土壤肥力質(zhì)量較差。土壤肥力等級(jí)的每一類均表示了不同的土壤肥力狀況。